Краткое описание района работ. Пересеченная гористая местность, минимальная отметка на урезе реки составляет 108 метров, максимальная отметка 232 метра, широкая сеть гидрографии в виде притоков и ручьев, проходящих через исследуемый регион, и впадающих в реку, расположенную в западной части объекта. Лесные массивы занимают порядка 85% от общей площади, трехуровневая растительность в виде деревьев, кустарниковой поросли и полуметрового густого травяного покрова. При этом застроенная часть представляла собой индивидуальную малоэтажную застройку типового характера и садовые участки с незначительной застройкой. Развитая инфраструктура дорог регионального и промыслового значения, линии электропередач и магистральные трубопроводы составляли основные технологические объекты.

Рис.1. Репродукция накидного монтажа аэрофотоснимков. Общее представление об объекте.

На предварительном этапе был проведен анализ топографо-геодезического обеспечения исследуемого участка работ, в частности рассматривалась пригодность использования имеющегося картматериала для задач оптимизации расходов на изыскания. Одним из наиболее наглядных материалов являлись топографические карты масштаба 1:25000 с сечением рельефа 5 м, карт более крупного масштаба на территорию объекта в актуальном состоянии не имелось. Основным критерием выбора исходных данных для проектирования являлась точность получаемых данных о рельефе. Таким образом, было принято решение о создании цифровых топографических карт масштаба 1:5000 на общую площадь 136 кв. км. с сечением рельефа 1 м, и 1:2000 на площадь промплощадки 2 кв. км. С сечением рельефа 0.5 м.

При выборе методов создания топографических карт был произведен анализ эффективности возможных методов производства работ. Первым из рассматриваемых вариантов был - аэрофотосъемка. Стоимость комплекса работ для получения готового материала составляет порядка 700 рублей за 1 га. Предположительное время производства работ – 6 месяцев. Однако, при данном способе, информацию о рельефе получают стереоскопическим способом, нанося горизонтали по поверхности деревьев, а затем опускают на высоту растительности. Однако, согласно инструкции по топографическим съемкам в масштабах 1:500 – 1:5000 (1), пункт 12.2, этот метод оказался неприемлем: “Стереоскопическая съемка рельефа при создании планов в масштабах 1:5000 и 1:2000 с сечением рельефа через 1 м и 0,5 м не должна применяться на территориях, покрытых сплошной высокой растительностью (леса, парки, кустарники, камыши), а в масштабах 1:1000-1:500 - и на объектах с плотной многоэтажной застройкой”. Следующим рассматриваемым методом была наземная тахеометрическая съемка. Стоимость этого метода составляет порядка 3000 – 4000 за 1 га. Время производства работ предположить было довольно сложно, так как возникала необходимость рубить визирные просеки через 150-200 метров, что также вызывало дополнительные трудности в части получения разрешений на лесорубочные работы даже при условии использования существующих просек и визиров. Третьим рассматриваемым методом был метод, основанный на совместном использовании аэрофотосъемки (АФС) и воздушного лазерного сканирования (ВЛС). Стоимость всего комплекса работ по этому методу составляла 727 рублей. Преимуществом по отношению к простой аэрофотосъемке является то, что, контурную часть предполагалась создавать по высокоточной стереомодели, а рельеф получить из облака точек лазерных отражений. Таким образом, преимущественной альтернативой из рассматриваемых вариантов явилось применение интегрированного метода АФС + ВЛС.

Технология проведения воздушного лазерного сканирования, ровно, как и аэрофотосъемки, основывается на применении систем спутникового позиционирования. Причем, для воздушного лазерного сканирования геометрическая составляющая расположения спутников и качество сигнала является критичным по причине получения решения в режиме реального времени. В общих чертах, методику получения отраженного сигнала можно описать как вычисление положения излучателя (X,Y,Z), углов наклона прибора по крену, тангажу, и рысканью (ω, φ, κ), и времени прохождения сигнала с момента его излучения до приема отраженного. Таким образом, достаточно важной составляющей аэросъемочных работ являлось подготовка наземной станции GNSS поддержки. Следует отметить, что все работы ведутся в системе координат проекции UTM на эллипсоиде WGS – 84. В качестве исходных данных для пересчета координат из исходной системы в требуемую систему были выбраны 4 пункта триангуаляции один II класса, и 3 - III класса. Отметим также, что работы проводились в ранее образованной местной системе координат, принятой для этого района работ.

После проведения подготовительных работ, была проведена аэрофотосъемка в один день, и воздушное лазерное сканирование на другой день. Были применены широкоформатная аэросъемочная камера UltraCam X (Vexcel Imaging a Microsoft company¹, Австрия) и воздушный лазерный сканер ALS60 с технологией двойного импульса MPiA (Leica Geosystems, Швейцария). Параметры проекта для АФС – продольное перекрытие 60%, поперечное 30%, размер пиксела на местности 10 см. Для ВЛС основными критериями были приняты 5 пикетов на 1 квадратный метр, угол раскрытия зеркала 55⁰. Особо отметим, что оба прибора занесены в реестр средств измерений(2), что является необходимым условием для производства измерений на земной поверхности с целью получения картографического материала и является гарантом легитимности материала. Для оптимизации затрат на аэросъемочные работы были приняты различные проекты выполнения работ для аэрофотосъемки и лазерного сканирования. Т.е. маршруты АФС (18 маршрутов) относительно маршрутов ВЛС (13 маршрутов) располагались перпендикулярно. Эллипсоидальная высота залета в обоих случаях была 1570 метров, при этом как было указано выше, высоты местности на объекте от поверхности эллипсоида имеют значение от 108 до 232 метров. Поправки за геоид из данных EGM2008 имели значения минимальное -2.03, и максимальное -2.36 м, что выявило необходимость учета этих поправок в полученных данных. Перед аэросъемочными работами составлялся прогноз расположения созвездий спутников, в виду того, что автоматизированная система управления FCMS достаточно требовательна к качеству PDOP, значение которого не должно превышать значения 3.0.

В результате проведения аэросъемочных и сопутствующих наземных работ были получены следующие данные:

1) По аэрофотосъемочным работам, в соответствие с проектами: 606 мультиспектральных снимков (в том числе в ближнем инфракрасном диапазоне) с размером кадра на местности 1430*970 метров, координаты центров фотографирования с максимальной погрешностью 0,05 м, и элементы внешнего ориентирования снимков (ω, φ, κ) с угловой погрешностью 0.005⁰. Полученные угловые элементы существенно упростили выполнение фотограмметрических операций, в частности аэрофототриангуляции на территории, покрытой лесом.

2) По данным воздушного лазерного сканирования было получено 13 полос данных лазерных отражений с точностью трека 0.05 см.

3) По результатам наземных работ были набраны 12 планово-высотных опознаков. Координаты опознаков рассчитывались в едином проекте с базовой станцией, с которой осуществлялась передача дифференциальных поправок к измерениям на бортовые приемники. Дифференциальные поправки рассчитывались в ПО Grafnav\Grafnet путем первоначального расчета координат базовой станции технологией PPP (Precise Point Positioning).

Для обработки материалов аэрофотосъемки использовалось программное обеспечение Photomod. Полученная цифровая модель местности по снимкам высокого разрешения обеспечила читаемость основных контуров и элементов рельефа с точностью в плане и по высоте 10 см. Для обработки данных лазерных отражений использовалось программное обеспечение компании Terra Solid. Полученные сканы имели 10% поперечного перекрытия и один поперечный маршрут, что позволило провести уравнивание сканов и получение единства данных в местах перекрытий. На ровных поверхностях разница в высотной отметке между точками из одного скана и точками другого скана не превышало 3-4 см, что в принципе обусловлено точность измерения дальности самого лазерного сканера 2 см. Общее количество точек лазерных отражений на весь объект составило 468 500 000 точек. После последовательных итераций по фильтрации точек и отделении общей массы точек земной поверхности их количество составило 3 658 000. Причем, расстояние между точками в исходных данных составляло 0.6 метров, а после фильтрации составило в среднем 5 метров, что для масштаба 1:5000 с необходимостью плотностью через 3-4 см в масштабе плана, т.е. 150 – 200 метров, превысило в 36 раз, а для масштаба 1:2000 в 17 раз. Полученная цифровая модель местности (рис. 2) была представлена в виде регулярных (с шагом 5 м) и нерегулярных моделей местности в форматах DEM, LandXML, txt.

Трансформирование координат центров снимков и данных лазерных отражений в местную систему координат проводилось по данным наземной привязки к пунктам триангуляции, а также с использованием 12 планово - высотных опознаков. Оценка трансформирования проводилась по внутренней сходимости в программе, и по одному пункту триангуляции, который являлся контрольным. Оценка точности полученных моделей рельефа проводилась по пунктам полигонометрии, расположенным непосредственно на объекте, а также по результатам исполнительных съемок сторонних организаций, результатам обследований устьев геологических скважин с определением координат и контрольными наблюдениями GNSS системами и тахеометрами. Из общего количества 94 пунктов полигонометрии на 2 пунктах расхождения между отметкой земли из каталога и отметкой на цифровой модели рельефа составило более 30 см, в остальных случаях разница находилась в пределах от -20 см до +20 см (максимальное значение). Немного другая ситуация сложилась со сравнением данных лазерных отражений со съемками других подрядчиков: вычислялась разница на 180 точках,

Расхождения по местоположению точек имели случайный характер, и, принимая во внимание однородность данных лазерного сканирования, учитывая достаточно высокий процент совпадения, результаты лазерного сканирования и трансформирования из одной системы координат в другую были признаны достоверными.

Для графического отображения данных цифровой модели рельефа, которая получается методом сечения модели плоскостями через 1 и 0.5 метра, были получены горизонтали, которые были ломаными в виду избыточности данных и излишней точности ЦМР и далеки по виду от привычного изображения на картах соответствующего масштаба. Методы сглаживания до полиграфического качества типа сплайн, применяющиеся в различных программах обработки данных лазерных отражений (ДЛО), не принесли желаемого результата. В виду пересеченной местности и близкого расположения одной горизонтали от другой, порядка 1 см в плане в среднем по объекту, алгоритм сплайна вызывал пересечение одной горизонтали другой. Методы поиска и редактирования в сравнении с методами ручной укладки проигрывали по трудозатратам (анализ был проведен на эталонном участке), к тому же возникала проблема несоответствия отметок пикетов относительно горизонталей, когда горизонтали изменяли свое местоположение, а пикеты оставались на прежнем месте. Таким образом, редакторской службой и службой качества Проектно-изыскательского института ГЕО было принято решение о ручной укладке горизонталей по всему объекту, что оказалось наиболее трудозатратной частью работ. В то время, когда материалы были переданы для проектирования в виде цифровых моделей рельефа, еще порядка 2 месяцев производилась ручная укладка, а по сути - перерисовка графического отображения рельефа. Необходимым условием завершения работ было заключение органов территориального органа геодезии и картографии о соответствующем требованиям качестве картографического материала, и заключение было получено после проведения экспертизы. В современной зарубежной практике существуют требования к описанию цифровых моделей рельефа, а не их графическому отображению, поэтому ломаные горизонтали не являются чем-то неестественным для зарубежных проектировщиков, либо для наших проектных институтов, которые перешли на автоматические системы проектирования типа Autodesk Civil и подобные им. Однако, в наше стране приоритет имеют бумажные носители, и красота отображения рельефа имеет преимущество в сравнению с точность.

В заключение хочется отметить, что в описанном случае, применение технологий воздушного лазерного сканирования является гораздо более эффективным методом по сравнению с другими по причине высокой точности и скорости получения материала. Картографические материалы были получены через 4 месяца после проведения аэросъемочных работ, 1 месяц из которых, занял получение заключения МО РФ о возможности использования этих материалов без наложения грифа. Однако существенным недостатком является его зависимость от объема работ. Так, для объема в 5 кв.км. стоимость создания топографического материала в виде ЦТП аэросъемочным методом превысит стоимость наземных методов. Таким образом, незначительные по площади объекты, можно выполнять попутно, на перелетах, что существенно снижает стоимость, когда из общей сметы вычитается затратная авиационная составляющая. Тем не менее, в современных программных продуктах для проектирования выпуска 2010 года, существует прямая поддержка формата LAS, что подтверждает активное применение не преобразованных цифровых моделей с воздушных лазерных сканеров. По нашему мнению, воздушная лазерная локация, которая гордо называется инновационными технологиями – это стандарт для целей проектирования иностранных и выдающихся российских компаний.

Сноски:

¹ – Компания Microsoft использует камеры данного типа для создания проекта Binq Map (http://www.bing.com/maps/) аналог google earth.

Список используемой литературы:

1 - ГКИНП-02-033-79 Инструкции по топографическим съемкам в масштабах 1:500 – 1:5000 Москва: Издательство "Недра", 1982

2 - Федеральный закон об обеспечении единства средств измерений от 26 июня 2008 года N 102-ФЗ